Оценка вязкости ниобиевых оксидных систем для производства комплексных ферросплавов

Показана актуальность разработки современных технологических решений по переработке используемых для производства комплексных ферросплавов ниобиевых рудных материалов отечественных месторождений. Необходимость разработки новых технологических процессов переработки вызвана тем, что при переходе на новые виды ниобиевых концентратов изменяются химический и фазовый составы исходных материалов, а, следовательно, это приводит к изменению состава и свойств продуктов плавки (как металлических, так и оксидных). При помощи электровибрационного вискозиметра изучены температурные зависимости вязкости и рассчитаны температуры кристаллизации оксидных расплавов системы Nb₂O₅ – SiO₂ – CaO – TiO₂ – Al₂O₃. Составы исследуемых образцов соответствуют бесфосфористым ниобиевым шлакам, получение которых возможно карботермическим методом из черновых концентратов. Образцы получены методом сплавления оксидных материалов в высокотемпературной лабораторной электропечи. На основе полученных данных построены графические зависимости вязкость – температура. Экспериментально установлено, что оксидные расплавы, содержащие 15 – 26 % Nb₂O₅, по характерной зависимости вязкость – температура являются более «длинными» (имеющими широкий диапазон кристаллизации) и неблагоприятными. Повышение концентрации пентаоксида ниобия до 40 % переводит шлаки в разряд «коротких» (с высокой скоростью кристаллизации). Показано, что повышение концентрации оксида ниобия Nb₂O₅ от 15 до 40 % приводит к снижению температуры кристаллизации расплавов на 200 °С и уменьшению вязкости расплавов с 1,32 до 0,24 Па·с при 1350 °С. Улучшение физико-химических характеристик оксидных расплавов при повышении концентрации пентаоксида ниобия может благоприятно отразиться на технико-экономических показателях производства ферросплавов.

1. Нечаев А.В., Поляков Е.Г., Белоусова Е.Б., Пикалова В.С., Быховский Л.З. Минерально-сырьевая база ниобия России: приоритеты освоения // Минеральные ресурсы России. Экономика и управление. 2020. № 4-5. С. 8–15.

2. Никишина Е.Е., Дробот Д.В., Лебедева Е.Н. Ниобий и тантал: состояние мирового рынка, области применения, сырьевые источники. Часть 2 // Известия вузов. Цветная металлургия. 2014. № 1. С. 29–41.

3. Боярко Г.Ю. Динамика мирового производства и товарных потоков ниобиевого сырья // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2019. Т. 330. № 10. С. 216–229. https://doi.org/10.18799/24131830/2019/10/2318

4. Paraiso-Fo O.D.S., Fuccio R., Betz E.W. Mining, ore preparation and niobium based materials production at Araxа, Brazil // High Temperature Materials and Processes. 1993. Vol. 11. No. 1-4. P. 119–138.

5. Dufresne C., Goyette G. The production of ferroniobium at the Niobec mine. Niobium, Science and Technology // Int. Symp. Niobium 2001. Orlando, FL, United States. 2001. Code 62351. P. 29–35.

6. Мелентьев Г.Б. Перспективы обеспечения собственным редкометальным сырьем и развития производств феррониобия в России. В кн.: Труды конференции «Перспективы развития металлургии и машиностроения»: ФЕРРОСПЛАВЫ. Екатеринбург: ООО изд. «АльфаПринт», 2018. С. 36–45.

7. Стулов П.Е., Серегин А.Н., Пикалова В.С. Разработка технологии выплавки феррониобия и ниобийсодержащих сплавов из концентратов руд Большетагнинского месторождения // Проб­лемы черной металлургии и материаловедения. 2012. № 4. С. 5–11.

8. Пикалова В.С. Геолого-экономическая оценка нового потен­циально-промышленного типа ниобиевых руд на примере Большетагнинского месторождения. Автореф. дисс. …. канд. техн. наук. М., 2017. 18 с.

9. Zhuckov V.I., Zayakin O.V., Mikhailova L.Yu. Obtaining of niobium-containing ferroalloys from the Russian ore raw mate­rials // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020. Vol. 966. Article 012037. https://doi.org/10.1088/1757-899X/966/1/012037

10. Yessengaliyev D., Baisanov S., Issagulov A., Zayakin O., Abdirashit A. Thermodynamic diagram analysis (TDA) of MnO–CaO–Аl2O3–SiO2 and phase composition of slag in refined ferromanganese production // Metalurgija. 2019. Vol. 58. No. 3-4. P. 291–294.

11. Akuov А., Samuratov Y., Kelamanov B., Zhumagaliyev Y., Taizhigitova M. Development of an alternative technology for the production of refined ferrochrome // Metalurgija. 2020. Vol. 59. No. 4. P. 529–532.

12. Ma Zh., Zhao Z., Guo W., Wang Zh. Influence of Nb2O5 and basicity on the viscosity and structure of CaO–SiO2–Nb2O5–CeO2–CaF2 slag system // Metallurgical Research and Technology. 2020. Vol. 117. No. 3. Article 307. https://doi.org/10.1051/metal/2020023

13. Истомин С.А., Красиков С.А., Пастухов Э.А., Рябов В.В. Влияние ниобийсодержащих добавок на вязкость и электропроводность оксидно-фторидных расплавов // Металлы. 2006. № 2. С. 44–49.

14. Ibrahim M., Bright Norman F.H. The binary system Nb2O5 – SiO2 // Journal of the American Ceramic Society. 2006. Vol. 45. No. 5. P. 221–222. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1962.tb11130.x

15. Ibrahim M., Bright Norman F.H., Rowland J.F. The binary system CaO – Nb2O5 // Journal of the American Ceramic Society. 2006. Vol. 45. No. 7. P. 329–334. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1962.tb11161.x

16. Liu C., Qiu J., Sun L. Liquidus and phase equilibrium in

17. CaO–SiO2–Nb2O5–10 % La2O3 system // ISIJ International. 2018. Vol. 58. No. 4. P. 612–619. https://doi.org/10.2355/isijinternational.ISIJINT-2017-569

18. Ким А.С., Заякин О.В., Акбердин А.А., Концевой Ю.В. Получение и применение новых комплексных борсодержащих ферросплавов // Электрометаллургия. 2009. № 12. С. 21–24.

19. Sariev O., Kim S., Zhumagaliev Y., Kelamanov B., Sultanov M., Nurgali N. Viscosity and crystallization temperature of ferroalloy slags from Kazakhstan ore // Metalurgija. 2020. Vol. 59. No. 4. P. 525–528.

20. Жучков В.И., Заякин О.В., Леонтьев Л.И., Есенжулов А.Б., Островский Я.И. Основные направления переработки бедного отечественного хроморудного сырья // Электрометаллургия. 2008. № 5. С. 18–21.

21. Заякин О.В., Жучков В.И., Лозовая Е.Ю. Время плавления никельсодержащих ферросплавов в стали // Известия вузов. Черная металлургия. 2007. № 5. С. 13–16.

22. Физико-химические методы исследования металлургических процессов / П.П. Арсентьев, В.В. Яковлев, М.Г. Крашенинников, Л.А. Пронин. М.: Металлургия, 1988. 511 с.

23. Штенгельмейер С.В., Прусов В.А., Бочегов В.А. Усовершенствование методики измерения вязкости вибрационным вискозиметром // Заводская лаборатория. 1985. Т. 51. № 9. С. 56–57.

24. Акбердин А.А. Избранные труды. Караганда: ПК «Экожан», 2008. 754 с.

25. Park H., Park J.-Y., Kim G.H., Sohn I. Effect of TiO2 on the visco­sity and slag structure in blast furnace type slags // Steel Research International. 2012. Vol. 83. No. 2. P. 150–156. https://doi.org/10.1002/srin.201100249

26. Kim Y., Min D.-J. Viscosity and structural investigation of high-concentration Al2O3 and MgO slag system for FeO reduction in electric arc furnace processing // Metals. 2021. Vol. 11. No. 8. Article 1169. https://doi.org/10.3390/met11081169

27. Воскобойников В.Г., Дунаев Н.Е., Михалевич А.Г. Свойства жидких доменных шлаков. М.: Металлургия, 1975. 184 с.